Abaqus在輕型商用車后橋總成強度分析中的應用

汽車后橋總成作為車輛的一個重要的承載部件,其質(zhì)量對車輛的安全性和可靠性具有重要影響。本文以某款輕型商用車后橋總成為分析對象,利用有限元軟件Abaqus對后橋總成的結構強度進行了非線性有限元分析,分別模擬了轉(zhuǎn)向工況和垂直跳動工況,分析結果表明后橋總成滿足結構強度設計要求。

1 前言

    汽車后橋總成作為車輛的一個重要的承載部件,傳遞著車架與路面之間各個方向的作用力,其質(zhì)量對車輛的安全性和可靠性具有重要影響。因而,對其進行結構強度分析具有非常重要的意義。有限元前處理軟件HyperMesh是一款高效快捷的網(wǎng)格處理軟件,針對復雜模型可以很方便地生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。同時HyperMesh與CAD軟件、求解軟件都有豐富的接口。有限元軟件Abaqus針對復雜的非線性問題提供了強大的有限元理論解決方案,可以方便地解決汽車仿真分析中的各種問題,被廣泛應用于汽車整車、子系統(tǒng)及零部件的仿真分析中。

    本研究選用HyperWorks作為前后處理工具,Abaqus求解器對汽車座椅塑料件進行有限元分析。HyperMesh軟件是美國Altair 公司的產(chǎn)品,是世界領先的、功能強大的CAE應用軟件包,也是一個創(chuàng)新、開放的企業(yè)級CAE平臺,它集成了設計與分析所需的各種工具,具有強大的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面。在CAE領域,HyperMesh最著名的特點是它所具有的強大的有限元網(wǎng)格前處理和后處理功能。同時HyperMesh支持很多不同的求解器輸入輸出格式,這樣在利用HyperMesh劃分好模型的有限元網(wǎng)格后,可以直接把計算模型轉(zhuǎn)化成不同的求解器文件格式。

    Abaqus被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件,可以分析復雜的固體力學結構力學系統(tǒng),特別是能夠駕馭非常龐大復雜的問題和模擬高度非線性問題。Abaqus不但可以做單一零件的力學和多物理場的分析,同時還可以做系統(tǒng)級的分析和研究。由于Abaqus優(yōu)秀的分析能力和模擬復雜系統(tǒng)的可靠性使其被廣泛地用于各國的工業(yè)和研究中。

    本文以某款輕型商用車后橋總成作為分析對象,利用HyperMesh軟件作為前處理軟件,有限元軟件Abaqus作為求解器,對后橋總成的結構強度進行了接觸非線性有限元分析,分別模擬了轉(zhuǎn)向工況和垂直跳動工況,得到后橋總成的應力分布情況。分析結果表明,后橋總成能夠滿足結構強度的設計要求。

2 分析描述

    2.1 理論背景

    2.1.1 彈性力學的基本方程

    (1)平衡方程:

    (2)幾何方程:

    (3)本構方程:

    其中

    如果解出應力σij,則上式可以轉(zhuǎn)換為

   

    求解彈性力學的控制方程的目的在于求出物體內(nèi)各點的應力場和位移場。

    2.1.2 邊界條件

    彈性體V的全部邊界條件為S。一部分邊界條件上已知外力T_x,T_y,T_z,稱為力的邊界條件,這部分邊界條件用S_σ表示;另一部分邊界上彈性體的位移已知,稱為幾何邊界條件或位移邊界條件,這部分邊界條件用S_u 表示。這兩部分的邊界條件構成彈性體的全部邊界,即:

S_σ+S_μ=S

    (1)力的邊界條件

    給定物體的體力和面力,求在平衡狀態(tài)下的應力場和位移場,即所謂邊界應力已知的問題。

    彈性體在邊界上單位面積的內(nèi)力為T_x,T_y,T_z,在邊界S_σ上已知彈性體單位面積上作用的面積力為T_x,T_y,T_z,根據(jù)平衡有:

    T=T(在S_σ上)

    其中,T=nσ

    設邊界外法線為N,其余弦為n_x,n_y,n_z

   

    (2)幾何邊界條件

    給定物體的體力和物體表面各點的位移,求在平衡狀態(tài)下的應力場和物體內(nèi)部的位移場,即所謂邊界位移已知的問題。

    在S_u上彈性體的位移已知,根據(jù)平衡有:

  

    (3)混合邊界問題

    在物體表面上一部分給定面力,其余部分給定位移(或在部分表面上給定外力和位移關系)的條件下求解上述問題。即所謂混合邊值問題。

    一般處理的方法有:

    ①位移法。用位移作為基本未知量來求解邊值問題。將一切位置量和基本方程都轉(zhuǎn)化為用位移表示(給定位移邊界條件)。

    ②應力法。用應力作為基本未知量來求解邊值問題。將一切未知量和基本方程都轉(zhuǎn)換為用應力表示(給定應力邊界條件)。

    ③混合法。解決第三類邊值問題。

    2.1.3 彈性體的應變能和余能

    單位體積的應變能(應變能密度):

    應變能是個正定函數(shù),只有當彈性體內(nèi)所有的點都沒有應變時,應變能才為零。

    單位體積的余能(余能密度):

    余能也是個正定函數(shù),在線彈性力學中彈性體的應變能等于余能。